凌云从左路进攻，李忠义从中路进攻，刘桂堂从右路进攻，吉鸿昌和邓文率领总预备队。
各路部队在多伦外围集结完毕，三路同盟军发起进攻。日伪军凭借完备的工事和强大的火力拼命顽抗，攻城部队奋勇冲锋。
这一场激战打了两天三夜，多伦城还是没有攻下。吉鸿昌急了，连夜率领敢死队，脱掉上衣，赤膊匍匐前进。
他连续三次指挥登城，部队还是被日军的火力顶了回来，付出了伤亡两百多人的代价。
吉鸿昌向冯将军报告战况，冯将军回电说：“你干不了，请你离开，我来指挥。”
吉鸿昌看了电报，失声痛哭，给冯将军发电说：“打不下多伦，就不回来了。”
到了拂晓，同盟军又发起几次进攻。突然，日军飞机过来袭击，部队伤亡加重，只得暂时退回原阵地，等待合适的机会。
吉鸿昌眉头紧锁，想到一个办法。他秘密地派出一名副官，带领四十多名士兵，化装成伪军，悄悄潜入城内。凌晨1点钟，天色漆黑，吉鸿昌命令部队发起猛攻。部队接近城墙时，潜入城内的部队立即鸣枪响应。
日伪军听到后方响起枪声，乱成一团，同盟军趁势从北门、西门和南门冲进城内，与日伪军展开巷战。